TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXVIII, No. 1, 200854

SIMULACIÓN DE UNA CALDERA DE RECUPERACIÓN DECALOR UTILIZANDO EL SOFTWARE HYSYS

Leiby Montes de Oca Rodríguez, Félix Juan Domínguez Alonso, Yudelkis Díaz Reyes,Yoney López Hervis, Ángel Tápanez Ramírez

Universidad de Matanzas

El trabajo muestra los detalles de la implementación en el simulador de procesos HYSYS de unmodelo de una caldera de recuperación de calor, y la utilización de dicho modelo para analizarla influencia de parámetros de operación y diseño sobre la eficiencia energética de la misma.Palabras clave: calderas recuperadoras de calor, simulación.

The work shows the details of the implementation in the HYSYS Process Simulator of a model of aheat recovery boiler, and the use of this model to analyze the impact of design and operatingparameters on the energy efficiency of the same.Key word: heat recovery boiler, simulation.

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Introducción

Los preciados recursos energéticos de la tierra,se han acumulado por procesos extremadamentelargos a través de la historia geológica del planeta, yel hombre ha explotado esas fuentes de energía parasu beneficio de forma indiscriminada, lo que hahecho que se agoten en un corto período de tiempo.

Desde que los humanos alcanzaron las primerasnociones del concepto de calor, y su conexión con lahabilidad de realizar trabajo, surgió la idea de haceruso de los sistemas térmicos, por lo que estossistemas han jugado un papel importante en elproceso de producción desde el inicio de la Revolu-ción Industrial, siendo las máquinas de vapor losprimeros sistemas térmicos que utilizaron el calorpara producir trabajo. Desde entonces, los avancestecnológicos del hombre han dependido, en granmedida, de su capacidad para producir electricidad,siendo ésta la actividad en la que se consumen lamayor cantidad de recursos energéticos.

Para la producción de electricidad, el hombreha utilizado plantas termoeléctricas tradicionalesbasadas en ciclo Rankine, plantas nucleares yplantas de turbinas de gas basadas en cicloBrayton. Más recientemente, se han incorporadolas plantas de potencia de ciclo combinado (CCPP),que buscan incrementar la eficiencia de genera-ción combinando una turbina de gas (ciclo Brayton)con una caldera recuperadora y una turbina de

vapor (ciclo Rankine) para la producción de ener-gía eléctrica. Para unir eficientemente el cicloRankine de vapor con las turbinas de gas de altastemperaturas, nuevos generadores de vapor sehan tenido que desarrollar, surgiendo así las cal-deras de recuperación de calor. Su eficiencia hamotivado que el mercado para las plantas depotencia de ciclo combinado experimente un rápi-do crecimiento en los últimos años. /9/

Las calderas de recuperación de calor son uncomponente esencial en el diseño de las plantasde potencia de ciclo combinado. La optimizaciónde sus parámetros de operación permite maximizarel trabajo que se obtendrá en el ciclo de vapor, ycon ello mejorar la eficiencia de la generación.Estas calderas son esencialmente un sistema deintercambio de calor a contracorriente, consis-tiendo en una serie de sobrecalentadores,evaporadores y economizadores ordenados des-de la entrada del gas hasta su salida, de forma quesea máxima la recuperación de calor y se suminis-tre vapor a las condiciones de temperatura ypresión que requiera la turbina de vapor. /2, 12/

Este trabajo tiene como objetivo fundamental lautilización del simulador de procesos HYSYS paramodelar y estudiar una caldera recuperadora decalor, conocida en el mercado con las siglas HRSG(Heat Recovery Steam Generator). La solución deproblemas usando simuladores de procesos indus-triales, se ha incrementado en la misma medida enque éstos se han mejorado, comercializándose hoy

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en día un gran número de ellos, que permiten realizaruna solución rigurosa de problemas en estado esta-cionario, y algunos en estado dinámico. Por estasrazones, se escoge como herramienta de simulaciónpara este trabajo.

Desarrollo

Caracterización del caso de estudio

La caldera recuperativa estudiada maneja487 000 t/h de gases de escape de turbina a544 ºC, cuenta con quemado adicional usando2 000 m3 normales, por hora, de gas naturallimpio que permite elevar la temperatura de lacorriente gaseosa hasta 656 ºC, y produce

vapor sobrecalentado a 522 ºC y 86 bar, conuna alimentación de agua a 70 ºC y 116 bar.

El generador de vapor cuenta con cuatro eta-pas de economización, un evaporador y cuatroetapas de sobrecalentamiento, estas últimas divi-didas en dos por un atemperamiento del vaporpara cumplir con las condiciones de trabajo de laturbina de vapor. En la sección de evaporaciónexiste una purga o blowdown de aproximada-mente 1 % del vapor producido.

El gas de escape de caldera a bajas tempera-turas (149 ºC) es enviado a la atmósfera a travésde la chimenea.

En la figura 1 se muestra un esquema de lacaldera señalando las secciones de transferenciaprincipales, y se reflejan los datos que se tienende diseño en la tabla 1.

Fig. 1 Esquema de la caldera recuperadora de calor.

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Tabla 1Datos de diseño aportados por el fabricante de la caldera recuperadora

DATOS DE DISEÑO

CALDERA RECUPERADORA DE CALOR DE SIMPLE PRESIÓN OPERACIÓN A CARGA BASE

FIRED

Temperatura ambiente ºC 30

Flujo de gas escape de turbina kg/h 487 000

Temperatura gas escape de turbina __ entrada de quemadores ºC 544

__ salida de quemadores ºC 656

Presión del vapor sobrecalentado barg 85

Temperatura del vapor sobrecalentado ºC 522

Temperatura agua alimentación ºC 70

Presión agua alimentación barg 115

Evaporación kg/h 90 000

Temperatura gas entrada sobrecalentador ºC 656

Temperatura gas entrada evaporador ºC 526

Temperatura gas entrada economizador ºC 318

Temperatura gas salida economizador ºC 149

Temperatura agua entrada economizador ºC 70

Temperatura agua salida economizador

Sin by-pass ºC 294,4

Temperatura de operación evaporador ºC 305,4

Temperatura entrada agua sobrecalentador ºC 305,4

Contrapresión mmWG 295

Consumo de calor en los quemadores kW 19 530

Metodología de simulación

El primer paso para efectuar la simulación con laayuda de un simulador de proceso es la elaboraciónde un diagrama de flujo de información, que no esmás que un diagrama donde los flujos de masa oenergía del proceso son equivalentes a flujos de

información (valores numéricos de las variables delas corrientes y parámetros necesarios), y los equi-pos del proceso equivalentes a modificaciones de lainformación que fluye entre ellos. Los datos necesa-rios para definir una corriente de proceso son flujo,composición, temperatura y presión; y para losequipos, sus parámetros característicos.

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El diagrama de flujo de información de la caldera que se estudia se muestra en la figura 2.

Fig. 2 Diagrama de flujo de información de la caldera recuperadora.

En la figura 2 se representan los módulos nece-sarios para simular la caldera recuperadora. En estafigura se han agrupado varias zonas de intercambiode calor con el objetivo de facilitar la simulación,siendo los principales módulos los siguientes:SH 1-2: Sobrecalentadores 1 y 2.SH 3-4: Sobrecalentadores 3 y 4.EV: Evaporador.EC 1-4: Economizadores 1 al 4.DB: Duct Burners (Cámara de combustión).D1 y D2: Divisores de corriente.M1: Mezclador de corriente.

El símbolo Si representa las corrientes demateria que forman parte de este proceso.

Si se analiza la información del diagrama mostra-do en la figura 2, se observa que el proceso tiene unreciclo, que viene dado por la circulación natural dela mezcla líquido-vapor entre el domo y el evaporador.

Cuando aparecen reciclos en un proceso, sedeben determinar cuántas y cuále s serán lascorrientes necesarias por asumir, ya que en estoscasos, no es posible realizar la simulación directa-mente porque esas corrientes serán a su vezsalidas y entradas de un mismo módulo. Como setiene un solo ciclo, se asume la corriente SL_VRec (Reciclo de la mezcla agua/vapor), y sepodrán calcular todos los módulos del proceso.

Basado en ello, el orden de cálculo definido es:

1. Conocidas las corrientes S1 y S3, se debecalcular el módulo DB.

2. Definir las corrientes S19 y S16 y calcular losmódulos EC 1- 4 y D1.

3. Asumir la corriente SL_V Rec; lo que permi-tirá calcular los módulos DOMO; D2; EV; y sechequea la convergencia usando un módulo deconvergencia (R).

4. Una vez obtenida la convergencia en el cicloanterior pueden ser calculados los restantesmódulos que forman la caldera, de acuerdocon el siguiente orden: SH 3- 4; M1; SH 1-2.

Con el orden de cálculo determinado, sepasa a la simulación con ayuda del softwareseleccionado.

El diagrama de flujo de información modifica-do se muestra en la figura 3.

En la figura 3, se aprecia que la caldera derecuperación de calor, no es más que una serie deintercambiadores de calor con flujo a contraco-rriente, divisores y mezcladores de flujo, un domo(separador de fase) y una cámara de combustión.

Como la simulación se realiza a través del

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software HYSYS, a continuación se muestran losfundamentos matemáticos que emplea el simula-

dor para esos módulos, y cómo están definidoscada uno de éstos módulos. /10/

Fig. 3 Diagrama de flujo de información modificado.

Intercambiadores de calor

La operación unitaria de transferencia de ca-lor en el simulador HYSYS puede tener lugar enenfriadores, calentadores, intercambiadores decalor y en intercambiadores para gas naturallicuado. La transferencia de calor en la calderarecuperadora es en intercambiadores de calor a

contracorriente, por lo que éste es el modelo quese explica.

Los cálculos para los intercambiadores decalor están basados en balances de masa yenergía para los fluidos fríos y calientes, dondeel fluido caliente aporta calor al fluido frío. Laexpresión general del balance se muestra en laecuación 1. /10/

(1)

donde:F: flujo másico, kg/s;H: entalpía, kJ/kg;Qleak: calor de escape, kW;Qloss: calor perdido, kW.

Los subíndices cold y hot designan a losfluidos fríos y calientes, así como in y out serefieren a las condiciones en la entrada y en lasalida, respectivamente.

Para determinar el calor total transferido en elintercambiador de calor de tubo y la coraza, sedefinen términos como coeficiente global de trans-

ferencia de calor, área superficial disponible y ladiferencia media logarítmica de temperatura:

donde:U: coeficiente global de transferencia de ca lor,

kW/m2 ºC;A: área superficial para la transferencia de ca

lor, m2;LMTD: diferencia media logarítmica de tempera

tura, ºC;Ft : factor adimensional de corrección de tempe

ratura.

Q = U * A * LMTD * F t (2 )

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Para simular un intercambiador de calor es nece-sario seleccionar el modelo matemático de diseño,recomendándose usar el Modelo End Point, dadoque este modelo está basado en la ecuación de calorpara un intercambiador de calor estándar, definidapor el coeficiente de transferencia de calor, áreadisponible para el intercambio de calor y la diferen-cia media logarítmica de temperatura. Las principa-les consideraciones de este modelo son: el coeficien-te de transferencia de calor es constante, y loscalores específicos por el lado de la coraza y por ellado de los tubos permanecen constantes. Estemodelo es seleccionado cuando no hay cambio defase en el intercambio y los calores específicos notienen mucha variación

Reactor Gibbs

Este módulo fue el seleccionado para simular lacámara de combustión. En este reactor se calculanlas composiciones de salida para lograr el equilibriode fase y químico en la corriente de salida, sinnecesidad de una estequiometría de reacción espe-cífica, pues utiliza la condición de que la energía librede Gibbs del sistema en reacción, está a un mínimodel estado de equilibrio para determinar la composi-ción de la mezcla producto. Para seleccionar elmétodo con que HYSYS solucionará el ReactorGibbs, se escoge Sólo Reacciones Gibbs, dado queeste modo, no se necesita conocer el paquete dereacción para solucionar el sistema por minimizaciónde la energía libre de Gibbs.

Mezcladores

La operación de mezclado combina dos o máscorrientes de entrada para producir una simplecorriente de salida. Se realiza un completo balancede materia y energía en el mezclador. Si se conocenlas propiedades de las corrientes de entrada (tempe-ratura, presión, flujo y composición), las propiedadesde la corriente de salida serán calculadasautomáticamente de forma rigurosa.

Divisores

La operación de división separa una corrientede alimentación en múltiples corrientes de pro-ducto con las mismas condiciones y composiciónque la corriente de entrada, y es usada parasimular T en tuberías y tubos múltiples. El únicoparámetro requerido para su simulación es lafracción de separación o los flujos de cada co-rriente de salida.

Separadores

Los separadores son básicamente tanquesFLASH donde la separación de las fases ocurrea la menor presión de alimentación menos unacaída de presión a través del equipo, que debe serdefinida y consta de una corriente producto enfase vapor y otra en fase líquida.

Como se tienen reciclos en el proceso, seránecesario usar un paquete lógico para determinarlos cálculos de forma iterativa hasta alcanzarconvergencia en el sistema. En HYSYS estemódulo se conoce con el nombre de Reciclo.

Reciclo

La capacidad para resolver reciclos,fiablemente, de cualquier simulador es crítica.HYSYS tiene ventajas inherentes sobre otrossimuladores en este aspecto. Tiene la habilidadúnica de cálculo inverso a través de muchasoperaciones en forma no secuencial, permitiendosolucionar muchos problemas. El reciclo instalaun bloque teórico en la corriente del proceso. Lascondiciones de la corriente pueden ser transferi-das hacia delante o hacia atrás, en términos desolución hay valores asumidos y valores calcula-dos para cada variable en la corriente de entraday salida de este módulo. HYSYS emplea unmétodo de aproximaciones sucesivas para alcan-zar la convergencia del sistema con la toleranciaespecificada. /10/

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El diagrama de la simulación usando HYSYS se muestra en la figura 4.

Fig. 4 Diagrama de la simulación en HYSYS de la caldera recuperadora.

Resultados y discusión

Es importante destacar que el análisis delrendimiento de las calderas recuperadoras decalor no necesita, obligatoriamente, el uso decomputadoras. Esto puede hacerse por un sim-ple análisis de las leyes termodinámicas. Laprincipal relevancia del uso de simuladores eneste análisis es estudiar con detalles el procesoy lograrlo en un período breve de tiempo. Estossoftwares incluyen métodos sofisticados deestimación de propiedades, módulos para eldiseño de varios equipos, que permiten reducirel tiempo en cálculos engorrosos, y predicen el

comportamiento del proceso bajo determina-das condiciones. Además, solucionan procesoscíclicos que convergen con mucha rapidez. Pores tas razones , se es tud ia una ca lderarecuperadora de calor a través del uso delsimulador de procesos HYSYS.

Para comprobar la efectividad de la simula-ción se comparan los valores obtenidos por losdiferentes módulos con los datos que se tienendel diseño de la caldera (tabla 1). Los valoresque se analizan son: temperatura de evapora-ción, flujo de vapor sobrecalentado y tempera-tura de salida de los gases. En la tabla 2 semuestran los valores.

Tabla 2Valores de la simulación en HYSYS

Variables Diseño HYSYS Error (%) Temperatura de los gases a la salida del economizador (ºC) 149,00 145,40 2,48

Temperatura de operación del evaporador (ºC) 305,40 305,66 0,09 Evaporación (kg/h) 90 000 89 817,29 0,20

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Como se observa en la tabla 2, las diferenciasentre los valores de diseño y los que se logranreproducir con el simulador no sobrepasan un 3 %de error. Esto demuestra, que a través del simu-lador se podrá estudiar el comportamiento de la

caldera recuperadora de calor con una granconfiabilidad. También son utilizados para validarel modelo de simulación de la caldera datos realesde operación de la misma, siendo los resultadosobtenidos los que se muestran en la tabla 3.

Tabla 3Valores de la simulación de los parámetros reales

Variables Reales HYSYS Error (%) Temperatura de operación del evaporador (ºC) 300,40 300,31 0,03

Evaporación (kg/h) 81 100,00 82 338,40 1,50

En la misma, se puede observar que los erroresson muy bajos, indicando que el modelo de simula-ción implementado en HYSYS representa adecua-damente la operación que ocurre en estos equipos.

Cálculo de la eficiencia térmica de la calderarecuperadora

La eficiencia térmica de un generador devapor puede ser expresada como la energía que

es aprovechada para producir vapor; simplemen-te es la relación entre la energía que sale y laenergía que entra al sistema. La energía que entraa la caldera no es más que el calor proveniente delcombustible, que viene dado por el valor calóriconeto del mismo. En el caso particular que seestudia, se tienen dos corrientes combustibles: elgas natural y el gas exhausto de turbina. Laeficiencia térmica puede ser determinada por laecuación 3. /11/

(3)

donde:ηηηηη En: HRSG: eficiencia térmica del generador de vapor;FvSC: flujo de vapor sobrecalentado, kg/h;HVSC: entalpía del vapor sobrecalentado, kJ/kg;HAA: entalpía del agua de alimentación, kJ/kg;FGT: flujo de gas natural quemado en la turbina

de gas, kg/h;VNC: valor calórico neto del gas natural, kJ/kg;NGT: potencia entregada por la turbina de gas en

el ciclo combinado, kJ/h;FDB: flujo de gas natural quemado en el genera

dor, kg/h.Haciendo uso de los datos ofrecidos en la

simulación de la caldera recuperadora, y at ravés de las her ramientas de cá lcu lo(spreadsheet) del simulador HYSYS, se ob-tiene que ηηηηηEn: HRSG = 75,59 %

Análisis de sensibilidad en la calderarecuperadora caso de estudio

Una vez que se ha verificado que los resulta-dos de la simulación se corresponden con losdatos de diseño y con los datos reales, es posibleestudiar el comportamiento de la calderarecuperadora ante cambios en determinadosparámetros, utilizando las herramientas de estu-dio de caso del simulador HYSYS.

Análisis del punto de Pinch

El diseño práctico de las calderas recuperadorasestá usualmente basado en el concepto termodi-námico del Punto de Pinch que regula el perfil detemperatura, tanto del gas como del agua/vapor.

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Esto no es más que la diferencia de temperaturaentre el gas que entra a la sección de

economización y la temperatura de saturación a lapresión de trabajo.

Fig. 5 Comportamiento de la eficiencia térmica con la variación del punto pinch.

Es fácil apreciar en la figura 5, que a medidaque aumenta el punto pinch, la eficiencia tér-mica disminuye, esto se debe a que la tempera-tura del gas a la entrada del economizador serámayor reduciendo la transferencia de calor enel evaporador y en los sobrecalentadores,obteniéndose un gas de escape de caldera amayor temperatura, indicando una baja recu-peración de calor en la misma.

Es importante señalar que este análisis sólotiene validez práctica cuando se está diseñan-do la caldera recuperadora de calor. Del valorde punto de pinch depende el área de transfe-rencia de calor de la caldera, y por ende, sutamaño. A medida que esta diferencia de tem-peratura sea menor, se logra incrementar elcalor total recuperado en el evaporador, peroimplica un aumento en el área de transferencia,y por ende, en el costo de inversión de lacaldera.

Por estos motivos, se hace fundamental unanálisis económico que permita buscar un óp-timo entre los parámetros termodinámicos queminimicen el costo de inversión y maximicen laeficiencia en la operación.

En la literatura científica /5,6,7/ se planteaque la optimización termoeconómica es la idealpara el diseño de estas calderas recuperadoras.

Temperatura de entrada de los gases

Éste es un parámetro importante en la ope-ración de la caldera, pues de este valor depen-derá la energía que se tendrá disponible para laproducción de vapor. Por estas razones seestudió el comportamiento de la eficiencia tér-mica de la caldera recuperadora (para lascondic iones de d iseño) para es tos dosparámetros.

Se observa en la figura 6, que la eficienciaenergética aumenta con la temperatura de en-trada de los gases, ya que se tiene una cantidadmayor de energía disponible a la entrada de lossobrecalentadores de la caldera recuperadora,posibilitando una mayor producción de vapor.Este valor de temperatura estará condicionadopor la resistencia térmica de los materiales deconstrucción de la caldera, por la eficiencia delas turbinas de gas y por las pérdidas de calorque puedan existir.

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Fig. 6 Comportamiento de la eficiencia térmica con la temperatura del gas exhausto.

Conclusiones• Con la simulación de la caldera recuperadora

de calor usando el software HYSYS, se halogrado obtener un modelo riguroso que permi-te predecir el comportamiento de los principa-les parámetros operacionales, así como losvalores de eficiencia térmica de la misma,logrando errores por debajo del 3 % en todos losparámetros analizados.

• La eficiencia térmica de las calderasrecuperadoras disminuye con el aumento delpunto pinch, debido a que la temperatura delgas a la entrada del economizador será mayorreduciendo la transferencia de calor en todaslas secciones de la caldera, obteniéndose ungas de escape de caldera a mayor temperatura,lo que indica una baja recuperación de calor enla caldera. Todo esto influye de manera directaen la generación de vapor sobrecalentado en lacaldera.

• La generación de vapor sobrecalentado au-menta con la temperatura de entrada de losgases exhaustos, ya que se tiene una mayorenergía disponible a la entrada de la calderarecuperadora, y se logra un aumento en laeficiencia energética de la misma. Este valorde temperatura estará condicionado por la re-sistencia térmica de los materiales de construc-ción de la caldera.

Bibliografía1. Benz, S. J.; Francesconi, J., Introducción al uso del

simulador HYSYS, Rosario (Argentina), 2001.2. Blood, D.; Simpson, S.; Harries, R., Heat Recovery

Steam Generators for Power Generation and OtherIndustrial Applications, Report No. COAL R232, 2003.

3. Boehm, R.F., Developments in the Design ofThermal Systems , Cambridge University Press,Cambridge, 1997.

4. Brenner, S. J. et al., 2003, Hysys Documentation,Aspen Technology Inc. (USA), 2003.

5. Butcher, C. J.; Reddy, B. V., Second law analysis ofa waste heat recovery based power generationsystem, International Journal HEAT and MassTransfer, 2007.

6. Casarosa, C.; Donatini, F.; Franco, A., "Thermoeconomicoptimization of heat recovery steam generators operatingparameters for combined plants", Energy, 2004.

7. Cenusa, V. E.; Badea, A.; Feidt, M.; Benelmir, R.,"Exergetic Optimization of the Heat Recovery SteamGenerators by Imposing the Total Heat Transfer Area",International Journal Thermodynamics, 2004, vol.VII, No. 3, 2004, págs. 149 - 156.

8. Himmelblau, D. M., Principios básicos y cálculosen ingeniería química (6ta ed.), Prentice-Hall His-panoamericana, México, 1997.

9. Horlock, J. H., "Chapter 7 The Combined Cycle GasTurbine (CCGT)". En: Pergamon (Ed.). AdvancedGas Turbine Cycles, First edition. Cambridge, U.K.,Elsevier Science, 2003, págs. 109 - 129.

10. Hyprotech HYSYS 3.1 Documentation, OperationsGuide , Hyprotech, a subsidiary of AspenTechnology, Inc., 2002.

11. Montes de Oca Rodríguez, L., Desarrollo de un

TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXVIII, No. 1, 200864

modelo de simulación para la evaluación de unacaldera recuperadora de calor usando un simuladorde procesos, Tesis en opción al grado de Master enTermoenergética Industrial, Matanzas, Cuba, Uni-versidad de Matanzas "Camilo Cienfuegos", 2007.

12. Teir, S., "Modern Boiler Types and Applications",Steam Boiler Technology Book, Helsinki, Universityof Technology, Department of MechanicalEngineering, Energy, Engineering andEnvironmental Protection, 2002, págs. 1-14.